KR100386078B1 - 유화제 조성물 및 이로부터 제조된 에멀젼 연료유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 당귀에 유기용매를 혼합한 후 열을 가하여 추출된 유화제 성분과 상기 유기용매를 포함하고 있는 유화제 조성물, 및 여기에 물과 기름을 혼합/분산하여 제조된 에멀젼 연료유에 관한 것이다. 상기 유화제 조성물은 천연의 식물로부터 추출하므로 환경에 유해한 화학물질의 부생이 없고, 물과 기름의 유화에 특히 우수한 효과를 발휘하며, 상기 에멀젼 연료유는 장시간 보관하여도 물과 기름의 분리현상이 일어나지 않으며, 이를 연소시켜 에너지원으로 사용할 때 에너지 효율이 높게 나타나는 효과를 발휘한다.

Description

유화제 조성물 및 이로부터 제조된 에멀젼 연료유 {Emulsifier Compositions And Emulsion Fuels Prepared From Them}

본 발명은 당귀에서 유기용매로 추출하여 제조한 천연 유화제 및 이를 사용하여 제조된 에멀젼 연료유에 관한 것이다.

산업이 발전하면서 전세계적으로 원유의 소비량은 급격히 늘어나고 있다. 그러나, 자연계에 매장되어 있는 원유의 량은 기껏해야 40 내지 50년을 넘지 못하는 것으로 추정되고 있다. 더욱이, 이러한 매장량 중 상당수는 지금보다도 많은 비용을 들여야만 채굴할 수 있고, 산업규모가 커질수록 하루 사용량은 현재보다도 훨씬 늘어날 것으로 예상되어 고갈 속도는 더욱 빨라질 것이다.

통계에 따르면 원유 사용량의 약 90% 정도는 자동차 연료, 보일러 연료, 공장 구동용 연료 등과 같은 에너지원으로 소비되고 겨우 10% 정도만이 케미칼, 플라스틱 등과 같은 재료원으로 사용되는 것으로 보고되고 있다. 따라서, 원유를 에너지원으로 사용하는 량을 줄인다면 현재의 가용 매장량만으로 더욱 장기간 동안 사용이 가능하다는 결론에 도달한다.

에너지원으로서의 원유 사용을 대체하기 위한 또다른 방법이 다수 개발되어시도 내지 사용되고 있다. 그러한 대체 에너지원 개발의 예를 보면, 원자력 발전, 석탄의 석유화 공정(Sasol process 등), 알코올 자동차 등이 있다. 그러나, 원자력 발전의 경우 위험성의 문제로 선진국에서는 오히려 기존의 원자력 발전소를 폐쇄하는 방향으로 정책을 바꾸고 있고, 석탄의 석유화는 높은 운영 경비로 인하여 현재 자연계에서 수득하는 석유보다 원가가 훨씬 높은 문제점이 있으며, 알코올 자동차는 브라질 등의 남미에서 많이 사용되고는 있으나 사탕수수와 같은 천연물을 발효시켜 알코올을 제조할 때 많은 부산물이 생성되는 문제점을 안고 있어서 대체 에너지원으로서 한계가 있다.

한편, 휘발유, 중질유 등에 일정량의 물을 혼합하여도 연소율이 전혀 저하되지 않는다는 발견이 있은 후, 원유에 물을 첨가하여 연료유의 단가를 낮추려는 많은 시도가 있어왔다. 그러나, 생산자로부터 소비자에 이르는 기간과 소비자가 최종 사용에 이르는 기간이 상당히 긴 연료유의 경우 시간의 경과에 따라 물과 기름이 분리되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 노력의 일환으로 계면활성제(유화제)를 사용하여 이러한 이질적인 두 성분의 분리를 막는 시도가 있다. 유화제는 물과 기름의 특성을 동시에 가지고 있는 것으로 친수성인 물질과 친유성인 물질을 서로 섞었을 경우 층이 분리되고 서로 섞이지 않는 현상이 발생할 때 첨가하여 이러한 현상을 막는 용도로 사용되는 물질을 의미한다. 통상 유화제로 많이 쓰이는 것은 친수성 말단기와 친유성 탄소 사슬이 연결된 것으로 지방산 에스테르류 및 여러 가지의 지방산이 주로 사용된다. 그러나, 유화제의 대부분을 석유로부터 제조하고 있으므로 공정상에 원유의 사용이 불가피하고 더욱이 제품의생산 공정에서 불필요한 부산물이나 환경에 유해한 부산물이 많이 생성되는 문제점을 피할 수 없다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하고 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로는, 천연 식물로부터 용이하게 추출함으로써 화학 물질의 사용을 최대한 억제하고 우수한 물성을 갖는 유화제를 제공하며 이러한 유화제를 이용하여 물을 혼합한 에멀젼 연료유를 제조하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 유화제 조성물은 당귀에 유기용매를 혼합한 후 열을 가하여 추출된 유화제 성분과 상기 유기용매를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명자들은 각고의 노력 끝에 본 발명의 용매 추출 당귀 유화제 조성물을 물에 섞을 경우 뛰어난 유화성능을 보임을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명에서 사용되는 당귀(當歸)는 한약제로 널리 쓰이고 있는 천연 식물로서, 신농본초경(新農本草經)에 중품으로 수제되어 있는 생약으로 대한약전에는 참당귀 (Angelica gigasNakai; 미나리과 Umbelliferase)의 뿌리로 수제되어 있다(대한보건공정서협회 1992, 대한약전 6 개정, 한국메디칼 인텍스사, 985). 당귀는 동양 각국에서 기원이 다른 것을 약으로 사용하고 있는데, 일본약국방에서는 왜당귀 (Angelica acutilobaKitagawa) 또는 그 밖의 근록(近綠)식물(Umbelliferase)의 근을, 중국약전에서는 중국당귀(Angelica Sinensis(Oliv) Diels)의 근을 기원식물로 하고 있어 참당귀와 구별하고 있다. 당귀는 꽃이 피기전에 뿌리로서 굵고 짧은 주근으로부터 분지된 여러개의 가지뿌리로 되어 있으며, 근두부에 절제한 줄기 및 잎에 잔기가 나 있다. 뿌리의 부위에 따라 다소 약효의 차이가 있어 귀두(歸頭)와 귀미는 활혈(活血), 파혈작용(破血作用)이 있으며, 귀신(歸身)은 보혈, 양혈 작용이, 당귀 전체는 보혈, 활혈, 행혈작용이 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, 보혈강장, 진통작용을 목적으로 특히 부인과 질환에 주약으로 사용되고 있다. 당귀에 함유된 주요성분으로 피라노큐마린(pyranocoumarine)계인 디컬신(decursin), 그밖에 디컬신올 안젤레이트(decursinol angelate), 디컬시놀 노다케닌(decursinol nodakenin), 움벨리페론(Umbelliferone) 등 및 정유를 0.31% 함유하고 있으며, 왜당귀에는 리구스티리드(ligustilide), n-부틸리덴프탈리드(n-butyllidenephthalide), 부틸프탈리드(butylphthalide) 등 및 정유를 0.2% 함유하고 있다. 본 발명에서 사용되는 당귀는 이들 모두를 포함하는 개념이다.

당귀에 함유된 주요 성분인 디컬시놀(decursinol: 화학식 1), 디컬시놀 안젤레이트(decursinol angelate: 화학식 2), 디컬신(decursin: 화학식 3) 등은 모두 쿠마린(courmarin)계의 물질로서, 물에 대한 용해도가 매우 낮다.

따라서, 본 발명에서는 이들 성분의 추출 수율을 높이기 위하여 추출용매로서 알코올, 에테르 등을 사용한다. 상기 알코올로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, iso-프로판올, 부탄올(n-형), 펜탄올(n-형, sec-형, t-형), 헥산올 등이 있으며, 상기 에테르의 대표적인 예로는 디메틸에테르를 들 수 있다. 그 중 추출효율과 조성물의 안전성면에서 알코올이 바람직하며, 그 중에서도 특히 에탄올이 바람직하다.

추출용매로서 사용되는 에탄올의 농도는 바람직하게는 85 내지 99.9%(v/v)이다. 용매의 농도가 85% 이하가 될 경우 용매중의 수분으로 인해 당귀에 함유된 당성분이 지나치게 추출되는 문제점이 있다. 또한, 에탄올은 공비현상이 존재하므로 일반적인 증류법에 의해서는 96% 이상의 순도를 얻을 수 없기 때문에, 99.9%의 에탄올은 상대적으로 가격이 매우 비싸다는 문제점이 있다. 에탄올의 순도가 높을수록 수용성 물질의 추출율이 낮아져 유화제로서의 성능이 좋아진다고 볼 수 있다. 따라서, 이러한 상황을 고려할 때, 더욱 바람직한 에탄올의 농도는 95 내지 97%이다. 에탄올은 용도에 따라 물로 희석하여 85%(v/v) 수준으로 만들어 사용할 수도 있다.

추출용매의 사용량은 당귀 고형분에 대하여 1 내지 8배(v/w)를 사용하며, 더욱 바람직하게는 2 내지 4배이다. 사용하는 용매의 비가 낮을 경우에는 추출횟수를 2 내지 4회로 증가시켜 수율을 높일 수도 있다.

구체적인 하나의 예로는, 1차로 당귀에 에탄올을 첨가하고 가온하여 추출한 뒤 농축한 추출물에 추출물 무게의 1 내지 5배의 85 내지 99.9%(v/v) 에탄올을 재차 가하여 가온/용해시키고 얻어진 추출액을 농축하여 본 발명의 유화제 조성물을 제조할 수도 있다. 이와 같이 추출액을 농축하고 여기에 다시 무수 에탄올을 가하여 여과하는 경우에는 추출효율을 높이는 이외에 수용성분을 거의 제거하는 효과도 있다.

상기 당귀는 추출용매와의 접촉면적을 높이기 위하여 0.5 내지 10㎜ 정도의 크기로 썰어서 사용하는 것이 바람직하다. 당귀는 식물의 뿌리이므로 수확시 다량의 수분을 함유하고 있다. 따라서, 이를 40℃ 이하에서 완전 건조하여 수분 함량을 최소로 할 필요가 있다.

당귀에 포함되어 있는 상기 유효 성분들은 추출용매에 녹기는 하지만 온도가 낮을 경우, 용해되는 속도가 매우 느리다. 추출은 당귀 고형분 중의 가용성분을 용해하는 것이므로 저온에서 추출시 추출효율이 낮아짐을 짐작할 수 있다. 따라서, 본 발명에서의 바람직한 추출온도는 30 내지 80℃이다. 추출온도가 30℃ 이하인 경우에는 상기 유효성분의 추출속도가 매우 느려지게 된다. 그러나, 그와 같이 상대적으로 낮은 추출온도에서는 추출시간을 길게하여 어느 정도의 추출효과를 얻을 수도 있다. 반면에, 추출온도가 80℃ 이상인 경우에는 지나친 고온으로 인하여 당귀에 함유된 식물성 지질성분들의 산화가 촉진되는 결과를 초래하게 된다. 또한, 에탄올을 추출 용매로 사용할 경우에는 에탄올의 끓는점이 78℃이므로 그 이상에서는 에탄올이 끓어오르므로 반응공정에 어려움이 있을 수 있다. 그러나, 추출기 내부를 가압할 경우에는 온도를 80℃ 이상 올려서 추출하는 것도 가능하다. 따라서, 이상의 내용을 고려할 때, 특히 바람직한 추출온도는 30 내지 50℃이다.

추출이 끝나면 고형분인 당귀박은 여과를 통해 제거하고 얻어진 여액을 진공 농축하여 고형분 함량으로 5 내지 50%(w/v)가 되도록 한다. 이 농축액은 물과 섞을 경우 우유빛의 현탁액이 된다.

본 발명은 또한 상기 유화제 조성물에 일정량의 물과 기름을 혼합하여 제조된 에멀젼 연료유에 관한 것이다.

상기 기름은 자연계에서 얻어진 형태 그대로인 원유나, 이를 분별증류 또는 개질하여 제조된 경질유, 중질유(벙커C유 등), 이들 유류물을 사용한 후 부생된 폐유 등을 모두 포함하며, 경우에 따라서는 이들의 2 이상의 혼합물을 포함하는 개념이다. 상기의 기름 중 벙커유가 특히 바람직하며 이는 벙커유가 원유를 정제하는 과정에서 발생되는 부산물이므로 연소효율이 특히 낮기 때문에 적용시 연소효과 개선이 극대화 될 수 있기 때문이다. 그러나 상기의 설명으로 그 적용 대상이 한정되지는 않는다.

상기 에멀젼 연료유는 더욱 구체적으로 농축한 상기 유화제 조성물("농축액")에 15 내지 200배(부피비)의 물 및, 물 기준으로 2 내지 10배(부피비)의 기름을 첨가한 후 교반하여 제조한다.

상기 농축액의 농도는 당귀로부터 추출한 액에서 고형분의 함량이 5 내지 50%인 것을 말한다.

본 발명의 에멀젼 연료유는 기름이 물과 에멀젼(emulsion)을 형성하여 기름 내부 물(water in oil: W/O)의 형태를 이룸으로써, 기름에 물이 유화제에 의해 분산된 형태를 이루게 된다. 에멀션의 크기는 사용되는 유화제 조성물의 량, 혼합된 물과 기름의 량 및 기름의 종류 등에 의해 달라지는바, 대략 10 내지 50㎛의 크기를 갖는다.

이러한 에멀젼 연료유를 연소시키게되면, 기름의 연소로부터 발생한 열이 작은 물방울(droplet)로 전달되고 그러한 열에 의해 물방울이 기화되면서 급격한 부피팽창이 일어나기 때문에 기름의 분산/기화 등에 의해 연소를 촉진하게 된다. 따라서, 물의 함유에도 불구하고 실제적으로 기름의 연소율이 저하되지 않고, 오히려 물의 첨가에 의해 에너지 효율이 증가되는 효과가 있다.

경우에 따라서, 상기 에멀젼 연료유에 기타 공지의 성분들을 첨가하여 연소율 및/또는 에너지 효율을 높일 수도 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명의 구체적인 예를 설명하지만, 하기 실시예는 하나의 예시일 뿐 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.

(실시예)

실시예 1

참당귀 1㎏을 수분 10% 상태에서 에탄올(95%)을 8ℓ가하고 중탕하면서 온도 40℃에서 1 시간동안 교반하여 유화제 성분을 추출하였다. 추출 후 5B 여과지로 여과하여 농축시 생성된 당류의 침전인 고형분을 제거하여 6.9ℓ의 추출액을 얻었다. 이 액을 진공 농축하여 고형분 20%의 농축액("유화제 조성물")을 얻었다. 상기 유화제 조성물을 분석한 결과, 하기와 같은 성분이 포함되어 있는 것으로 확인되었다.

항 목	조성 %(v/v)
디컬시놀	0.9
디컬신	6.3
디컬시놀 안젤레이트	5.1
기타 (미지물질)	7.8
에탄올	79.9

상기의 농축액 1g을 물 100㎖에 섞었다. 섞은 액은 우유빛의 현탁액으로 되면서 에멀션이 형성되었다. 이 에멀션은 상온에서 정치시 24시간이 경과하여도 그 현탁정도가 전혀 변하지 않았다.

실시예 2

상기 실시예 1의 농축액 1g과 물 30㎖을 섞어서 현탁액을 만들고, 라인 믹서를 사용하여 상기 현탁액을 벙커C유 90㎖와 서로 섞어주었다. 그 결과, 벙커C유는 첨가한 물과 W/O형의 에멀젼을 형성하였고 에멀젼의 크기는 30㎛였다. 이 에멀션을 보일러(대원보일러, 10톤 용량)에 공급하여 연소시킨 결과, 유화되지 않은 경우에 비하여 연료의 에너지 효율이 14% 증가하였다. 에너지 효율은 벙커C유 1ℓ당 물의 증발비를 기준으로 비교하였다.

실시예 3

상기 실시예 1의 농축액 0.1g과 물 20㎖을 섞어서 현탁액을 만들고, 라인 믹서를 사용하여 상가 현탁액을 벙커C유 80㎖와 서로 섞어 주었다. 그 결과, 벙커C유는 첨가한 물과 W/O형의 에멀젼을 형성하였고, 에멀젼의 크기는 23㎛였다. 이 에멀젼을 보일러에 공급하여 연소시킨 결과, 유화되지 않은 경우와 비교하여 연료의 에너지 효율이 15.4% 증가하였다. 에너지 효율은 벙커C유 1ℓ당의 물의 증발비를 기준으로 비교하였다.

이상의 설명과 같이, 본 발명의 유화제 조성물은 천연의 식물로부터 추출하므로 환경에 유해한 화학물질의 부생이 없고, 물과 기름의 유화에 특히 우수한 효과를 발휘한다. 이러한 유화제 조성물에 물과 기름을 첨가하여 만든 에멀젼 연료유는 장시간 보관하여도 물과 기름의 분리현상이 일어나지 않으며, 이를 에너지원으로 사용할 때 에너지 효율이 높게 나타나는 효과를 발휘한다.

Claims (7)

1. 당귀에 추출용매로서 알코올 또는 에테르의 유기용매를 혼합한 후 열을 가하여 추출된 유화제 성분과 상기 유기용매를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 유화제 조성물.
2. 제 1항에 있어서, 상기 유기용매가 85 내지 99.9%(v/v)의 에탄올인 것을 특징으로 하는 유화제 조성물.
3. 제 1항에 있어서, 상기 유기용매의 양이 당귀 고형분에 대하여 1 내지 8배(v/w)이고, 추출온도는 30 내지 80℃인 것을 특징으로 하는 유화제 조성물.
4. 제 3항에 있어서, 상기 유기용매의 양이 당귀 고형분에 대하여 2 내지 4배(v/w)이고, 추출온도는 30 내지 50℃인 것을 특징으로 하는 유화제 조성물.
5. 제 1항 내지 제 4항 중의 어느 하나에 따른 농축 유화제 조성물("농축액")에 15 내지 200배(부피비)의 물과, 물 기준으로 2 내지 10배(부피비)의 기름을 첨가한 후 교반하여 제조되는 것을 특징으로 하는 에멀젼 연료유.
6. 제 5항에 있어서, 상기 농축액의 농도는 당귀로부터 추출한 액에서 고형분의 함량이 5 내지 50%(w/v)인 것을 특징으로 하는 에멀젼 연료유.
7. 제 5항에 있어서, 상기 기름은 원유, 경질유, 중질유(벙커C유 등), 폐유 등에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 에멀젼 연료유.